Universidade de Brasília

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1 Universidade de Brasília Instituto de Ciências Exatas Departamento de Ciência da Computação Monitoramento de Desempenho com Middleboxes em Redes Definidas por Software Ethel Barreto Gondim Dissertação apresentada como requisito parcial para conclusão do Mestrado Profissional em Computação Aplicada Orientador Prof. Dr. Divanilson Rodrigo de Sousa Campelo Coorientador Prof. Dr. André Costa Drummond Brasília 2015

2 Ficha catalográfica elaborada automaticamente, com os dados fornecidos pelo(a) autor(a) GG637m Gondim, Ethel Barreto Monitoramento de Desempenho com Middleboxes em Redes Definidas por Software / Ethel Barreto Gondim; orientador Divanilson Rodrigo de Sousa Campelo; co orientador André Costa Drummond. -- Brasília, p. Dissertação (Mestrado - Mestrado Profissional em Computação Aplicada) -- Universidade de Brasília, Gerência de Redes. 2. Gerência de Desempenho. 3. Gerência de Desempenho de Aplicações. 4. Redes Definidas por Software - SDN. 5. Middlebox. I. Campelo, Divanilson Rodrigo de Sousa, orient. II. Drummond, André Costa, co-orient. III. Título.

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4 Agradecimentos Agradeço à minha família, que me apoiou, aconselhou e incentivou em todos os momentos da minha vida. Aos meus amigos e namorado, pela cumplicidade, compreensão, palavras de apoio e pelos bons momentos que compartilhamos. Ao professor e orientador Divanilson, pela inspiração, compreensão e incentivo constantes desde a minha graduação. Ao colega Janael, pela ajuda no desenvolvimento de trabalhos conjuntos durante o Mestrado. Aos demais professores da Universidade de Brasília, pela formação de uma base sólida para o desenvolvimento deste trabalho. iv

5 Resumo O gerenciamento de desempenho de aplicações é frequentemente dificultado pela presença de middleboxes, por sua variedade e capacidade de alterar o tráfego que os atravessa. Com o advento das Redes Definidas por Software (do Inglês, Software-Defined Networking, SDN), surgem novas possibilidades para o gerenciamento de desempenho a partir da programabilidade dos dispositivos e do controle centralizado do tráfego. Este trabalho propõe uma arquitetura que objetiva mitigar os desafios impostos pelos middleboxes ao monitoramento de desempenho em SDN. Em particular, é apresentado e validado um protótipo que identifica o tempo de resposta, a disponibilidade e informações de conexões de aplicações na presença de quatro middleboxes: um balanceador de carga, um firewall, um sistema de prevenção de intrusões (do Inglês, Intrusion Prevention System, IPS) e um sistema de tradução de endereços de rede (do Inglês, Network Address Translation, NAT). Para os três primeiros middleboxes, foram desenvolvidas Interfaces de Programação de Aplicações (do Inglês, Application Programming Interfaces, APIs) específicas. Palavras-chave: Gerência de Redes, Gerência de Desempenho, Gerência de Desempenho de Aplicações, Redes Definidas por Software - SDN, Middlebox v

6 Abstract Application Performance management is frequently hampered by the presence of middleboxes, because of their variety and capacity of modifying the traffic that traverses them. With the advent of Software-Defined Networking (SDN), new possibilities for performance management arise from the programmability of devices and the centralized control of traffic. This work proposes an architecture that aims at mitigating the challenges posed by middleboxes in performance monitoring in SDN. In particular, it is presented and validated a prototype that identifies the response time, the availability and connection information of applications in the presence of four middleboxes: a load balancer, a firewall, an Intrusion Prevention System (IPS) and a Network Address Translation (NAT) system. For the first three middleboxes, specific Application Programming Interfaces (APIs) were developed. Keywords: Network Management, Performance Management, Application Performance Management, Software-Defined Networking - SDN, Middlebox vi

7 Sumário 1 Introdução Contextualização Desafios e Oportunidades Objetivos Estrutura do Trabalho Fundamentação Teórica Redes Definidas por Software Programabilidade e Interfaces OpenFlow Frameworks para SDN Mininet Middleboxes Gerenciamento de Desempenho de Aplicações Revisão do Estado da Arte Arquitetura de Gerenciamento de Desempenho Metodologia Modelo de Funcionamento da Arquitetura Comunicação com Controladores SDN Middleboxes e Métricas Comunicação com Middleboxes Armazenamento e Consolidação dos Dados Implementação e Validação do Protótipo Protótipo de Gerenciamento de Desempenho Base de Dados APIs dos Middleboxes Capturas do Controlador Disponibilização dos Dados Considerações de Escalabilidade Validação do Protótipo Ambiente Experimental Avaliações Parciais do Protótipo Testes com o Balanceador de Carga Testes com o IPS vii

8 5.3 Avaliações Finais do Protótipo Teste com Aplicação Web Teste com Compartilhamento de Arquivos Teste com Múltiplos Controladores SDN e Aplicações Conclusão 53 Referências 55 Lista de Abreviaturas e Siglas 59 A Código Fonte do Protótipo 61 A.1 Criação de Tabela A.2 Limpeza de Dados Antigos A.3 API do Firewall A.4 Recebimento das Informações de um Middlebox pelo Protótipo A.5 Servidor Web do Protótipo A.6 Armazenamento de UPDATES do Firewall A.7 Conexão e Atualização da Base de Dados A.8 API do IPS Snort A.9 Cômputo de Estatísticas de Capturas A.10 Tratamento de Estatísticas de Capturas A.11 Inserção na Base de Dados viii

9 Lista de Figuras 1.1 Comparação entre a quantidade de roteadores, switches de camada 2 e middleboxes em uma pesquisa realizada com 57 operadores de redes (imagem adaptada de [35]) Arquitetura de uma rede SDN (adaptado de [56]) Arquitetura de uma rede SDN ilustrando as APIs northbound e southbound Arquitetura do OpenFlow, adaptada de [33] Exemplo de topologia criada com Mininet, adaptada de [6] Modelagem conceitual da arquitetura da solução de APM proposta Modelagem do banco de dados, utilizando a notação Engenharia de Informações [28] Atuação da solução de APM em uma rede com um NAT e um firewall. Uma tabela de conexões de uma aplicação é apresentada como exemplo Exemplo de tabela do protótipo visualizada pela ferramenta pgadmin Interface de administração da base de dados do protótipo na ferramenta pgadmin Exemplo de estatísticas de conexões TCP no Wireshark. O Tshark gera uma saída equivalente em texto, armazenada um arquivo.csv Mecanismo de funcionamento do protótipo Interface Web de gerenciamento de desempenho Seção Application Performance da interface Web do protótipo Topologia utilizada nos testes inicias com o balanceador de carga Topologia utilizada nos testes iniciais com o IPS Topologia utilizada nos testes finais do protótipo ix

10 Lista de Tabelas 1.1 Quantidades de roteadores e de diversos tipos de middleboxes em uma rede corporativa, em que o total de middleboxes é cerca de 70% do total de roteadores (dados retirados de [35]) Levantamento de middleboxes e métricas mais relevantes para definição dos estados Levantamento de APIs de SDN de mercado mais relevantes e seus respectivos fabricantes [10] [26] Avaliações parciais realizadas para validar o protótipo Exemplo de métricas obtidas no protótipo para uma conexão realizada a partir do host h3 em um teste com o balanceador de carga Principais resultados do teste T1 com o balanceador Principais resultados do teste T2 com o balanceador Principais resultados do teste T3 com o balanceador Principais resultados do teste T1 com o IPS Principais resultados do teste T2 com o IPS Principais resultados do teste T3 com o IPS Principais resultados do teste final com a aplicação Web Principais resultados do teste final com o compartilhamento de arquivos Principais resultados do teste final com duas aplicações e dois controladores. 51 x

11 Capítulo 1 Introdução O Gerenciamento de Desempenho de Aplicações (do Inglês, Application Performance Management, APM) tem por objetivo prover visibilidade do comportamento dos sistemas críticos ao funcionamento de uma organização. Essa visibilidade muitas vezes é dificultada pela presença de middleboxes, dispositivos essenciais às redes corporativas. Esses dispositivos podem modificar o tráfego de formas variadas, e comumente há pouco controle sobre essas modificações. No contexto de Redes Definidas por Software (do Inglês, Software-Defined Networking, SDN), a estratégia de controle da rede é profundamente modificada, trazendo novos desafios e oportunidades para o gerenciamento tanto da infraestrutura de rede como das aplicações executadas sobre ela. Este capítulo contextualiza os desafios do gerenciamento de desempenho em SDN e na presença de middleboxes, e introduz os objetivos e a proposta deste trabalho. 1.1 Contextualização As soluções de gerenciamento de desempenho de aplicações têm por objetivo prover informações úteis para a melhoria ou manutenção do desempenho de sistemas críticos, em geral com foco na avaliação da experiência dos usuários finais desses sistemas. Elas auxiliam a equipe de Tecnologia da Informação (TI) na manutenção de altos níveis de disponibilidade, no atendimento de acordos de níveis de serviço e na rápida identificação e solução de problemas, além de possibilitarem maior eficiência na utilização e planejamento dos recursos de infraestrutura [36]. Essas soluções podem trazer uma vasta gama de informações, como métricas momentâneas de um conjunto de transações ou conexões, medições históricas do comportamento de componentes, análises de tendências para planejamento de capacidade, alertas de mau funcionamento, dentre outros. Tais soluções têm uma presença crescente no mercado, o que evidencia uma dependência cada vez maior dos negócios em relação a sistemas computacionais. Segundo Will Cappelli (Gartner), em tradução livre, os processos de negócios das empresas estão tão digitalizados que já não há distinção entre os negócios e a TI [22]. É cada vez mais claro que garantir continuamente a disponibilidade e o desempenho das aplicações de uma organização é essencial, visto que essas características têm grande impacto em seus objetivos de negócio. À medida que as aplicações se tornam mais complexas e distribuídas, e que as infraestruturas se tornam mais híbridas e dinâmicas, as ferramentas de APM se tornam cada vez mais essenciais à administração do ambiente de TI. 1

12 Ainda que as ferramentas de APM tenham evoluído consideravelmente nos últimos anos, a percepção que elas conseguem obter do comportamento das aplicações é frequentemente prejudicada ou dificultada pela presença de middleboxes. Definidos como dispositivos físicos ou virtuais que atuam sobre o tráfego com propósitos que vão além do roteamento/encaminhamento tradicional de pacotes, os middleboxes têm uma presença marcante na Internet atualmente [9], e frequentemente superam a quantidade de roteadores comuns em redes corporativas [35], conforme indicado na Figura 1.1 e na Tabela 1.1. Nessa categoria, enquadram-se NATs, firewalls IP e de aplicação, gateways de aplicação, proxies, caches, sistemas de detecção/prevenção de intrusão e balanceadores de carga, dentre outros. Figura 1.1: Comparação entre a quantidade de roteadores, switches de camada 2 e middleboxes em uma pesquisa realizada com 57 operadores de redes (imagem adaptada de [35]). Tabela 1.1: Quantidades de roteadores e de diversos tipos de middleboxes em uma rede corporativa, em que o total de middleboxes é cerca de 70% do total de roteadores (dados retirados de [35]). Tipo de Middlebox Quantidade Firewalls 166 IDS/IPS 127 Gateways de Mídia 110 Balanceadores de Carga 67 Proxies 66 Gateways VPN 45 Otimizadores WAN 44 Gateways de Voz 11 Total Middleboxes 636 Total Roteadores 900 Por serem muito variados e existirem em grande quantidade, os middleboxes adicionam complexidade significativa ao processo de monitoramento e gerenciamento. Há uma 2

13 complexidade inerente ao entendimento do comportamento de cada um dos middleboxes, o que dificulta o trabalho das soluções de gerenciamento na busca de informações reais e condizentes com o comportamento dos ambientes avaliados. Além da diversidade de funcionalidades, comportamentos e fabricantes, os middleboxes podem ser implementados em localizações arbitrárias e nas mais variadas formas, como appliances físicos/dedicados, máquinas virtuais, coleções de processos, funcionalidade em um controlador SDN, dentre outros [25]. Como exemplo, pode-se citar o caso do acompanhamento de transações de uma aplicação que contém um balanceador de carga direcionando o tráfego para um pool de servidores. Uma abordagem de gerenciamento razoavelmente comum seria observar essas transações a partir do tráfego de rede. Nesse caso, as transações seriam entendidas como terminadas na chegada ao balanceador, pois a comunicação tomaria sequência com um IP de origem diferente (o IP virtual do balanceador) para chegar ao servidor de destino no pool. Assim, a solução de gerenciamento não acompanharia a transação completa sem compreender o comportamento do balanceador. Um raciocínio semelhante pode ser estendido para qualquer middlebox que provoque uma alteração no tráfego que não seja prevista pela solução de gerenciamento. A tarefa de prever ou interpretar a atuação de todos os middleboxes disponíveis, no entanto, é extremamente complexa para soluções de gerenciamento tradicionais, por toda a variedade desses dispositivos, conforme comentado acima. A grande diversidade e complexidade de dispositivos presentes na rede foram parte da motivação para o surgimento das Redes Definidas por Software [19]. Em SDN, propõese a separação do plano de controle do plano de encaminhamento dos dados, conforme ilustrado na Figura 1.2. A rede passa a ter um plano de controle gerenciado de forma mais centralizada, modificando-se o paradigma de funcionamento dos ativos de redes tradicionais [44]. Esse gerenciamento centralizado se dá em um ou mais controladores de rede, que recebem os registros dos diversos fluxos de tráfego que passam pela rede. Com essa centralização, surgem novas oportunidades para ferramentas de monitoramento, que podem simplificar o processo de obtenção de dados por elas. Além disso, a arquitetura de SDN propõe uma maior programabilidade dos dispositivos presentes nas redes. Isso implica a existência de um padrão de comunicação com os dispositivos, como o OpenFlow [5], e também uma maior presença de Interfaces de Programação de Aplicações (do Inglês, Application Programming Interfaces, APIs). Essas APIs podem ser utilizadas para obter/enviar dados a virtualmente qualquer dispositivo, inclusive os middleboxes. O tema de SDN tem recebido crescente atenção do mercado e da comunidade acadêmica nos últimos anos, sendo notáveis as iniciativas de grupos de pesquisa renomados, como o da Universidade de Stanford [49], e de grandes empresas de TI, como Google [27] e VMware [54]. A abordagem proposta nessas redes já vem sendo utilizada em diversas organizações, com ferramentas como o VMware NSX [54], e com soluções abertas baseadas no padrão OpenFlow, principalmente. No entanto, ainda não é notável a presença de soluções de APM que tomem proveito das características de SDN para simplificar e otimizar o processo de monitoramento de desempenho. 3

14 Figura 1.2: Arquitetura de uma rede SDN (adaptado de [56]). 1.2 Desafios e Oportunidades Há expressivos desafios envolvendo os temas de middleboxes em SDN e de gerenciamento de desempenho desses middleboxes em geral. Por outro lado, as características de SDN trazem também uma série de novas oportunidades para a simplificação dos processos de gerenciamento. Alguns dos principais desafios e oportunidades identificados envolvendo os temas de middleboxes, gerenciamento e SDN são listados a seguir: 1. Como aproveitar características de SDN para melhorar o monitoramento/gerenciamento? A programabilidade dos dispositivos e a centralização dos dados de rede em controladores, ambos propostos na arquitetura de SDN, têm o potencial de modificar substancialmente o monitoramento e o gerenciamento tradicionais. Eles trazem novas possibilidades na implementação dinâmica de políticas e na simplificação dos mecanismos de controle. 2. No que o controle centralizado dos controladores SDN pode facilitar o acompanhamento de transações? É intuitivo concluir que o monitoramento de transações seria muito mais simples caso as informações de todos os fluxos de uma rede estivessem disponíveis em poucos pontos centralizados, o que é o caso dos controladores de rede em SDN. 3. Como gerenciar o estado de middleboxes em SDN de forma unificada? O gerenciamento do estado dos middleboxes é essencial para o controle de suas políticas e para o monitoramento de desempenho, mas pode se tornar complexo devido 4

15 à sua enorme diversidade estrutural e semântica. Outra dificuldade é que informações de comportamento e estado dos middleboxes muitas vezes não são acessíveis a qualquer tipo de controle externo. Além disso, existem diversos casos em que a atuação de um middlebox é associada a um conjunto de fluxos desconhecido, dificultando a aplicação de políticas em um formato por fluxo, como é realizado em controladores de rede em SDN [25]. 4. Como adaptar middleboxes à dinamicidade de infraestrutura? Com a presença cresente de infraestruturas heterogêneas e de implementação dinâmica, torna-se cada vez mais necessário automatizar a adaptação de middleboxes a novos cenários. Este trabalho aborda os três primeiros desafios enumerados acima, com a intenção de tratar aspectos relativos apenas ao monitoramento de desempenho com middleboxes em SDN. A arquitetura proposta, detalhada no Capítulo 3, utiliza características de SDN para simplificar o monitoramento de aplicações em redes com middleboxes. 1.3 Objetivos Este trabalho objetiva trazer maior simplicidade e eficiência à tarefa de gerenciamento de desempenho de aplicações em SDN, com ênfase em situações em que há um ou mais middleboxes interferindo no tráfego das aplicações. Há, portanto, dois segmentos da área de gerenciamento de desempenho que aqui são abordados conjuntamente: O monitoramento/gerenciamento voltado para Redes Definidas por Software: devido a SDN ser um paradigma relativamente recente e que trata especificamente das camadas de encaminhamento e roteamento, o desenvolvimento de soluções que trabalhem no gerenciamento da camada de aplicação para essas redes não é vasto. Nota-se que a grande maioria das soluções de APM de mercado não estão adaptadas para o funcionamento em SDN, e caso estejam, ainda trabalham de forma tradicional (ou seja, sem se utilizar de características de SDN para simplificar e otimizar o processo de obtenção de informações de monitoramento). Nesse contexto, este trabalho busca propor um mecanismo de monitoramento eficiente e simplificado para SDN, tomando proveito da centralização de fluxos nos controladores de redes; O gerenciamento com middleboxes: a presença de middleboxes, ainda que essencial, traz uma série de dificuldades ao monitoramento tradicional, devido à complexidade em se interagir com dispositivos extremamente variados em termos de funcionalidades, fabricantes e implementação. Este trabalho objetiva trazer também uma nova proposta para contornar as limitações que a presença de middleboxes impõe ao gerenciamento de desempenho, a partir da programabilidade dos dispositivos de rede em SDN. Nesse contexto, o presente trabalho procura propor e validar uma arquitetura de solução de gerenciamento de desempenho de aplicações para SDN. Dessa forma, seus objetivos específicos são: 5

16 A elaboração de uma arquitetura de gerenciamento de desempenho que colete fluxos de forma centralizada no(s) controlador(es) da rede e que verifique continuamente os estados de middleboxes; O desenvolvimento de um protótipo de solução de APM capaz de identificar o tempo de resposta e a disponibilidade de aplicações em uma rede SDN na presença de middleboxes, bem como algumas informações de rede das conexões das aplicações, utilizando a arquitetura proposta; A validação do protótipo como uma base apropriada para compor uma solução de APM completa e aplicável a ambientes complexos. 1.4 Estrutura do Trabalho O texto a seguir se subdivide da seguinte forma: Capítulo 2: Apresenta os conceitos teóricos necessários ao entendimento deste trabalho, as principais ferramentas utilizadas em sua implementação, e a revisão do estado da arte realizada para a composição deste trabalho. Capítulo 3: Descreve conceitualmente a solução proposta e a metodologia utilizada neste trabalho. Capítulo 4: Detalha a implementação do protótipo de solução de gerenciamento de desempenho para redes SDN com middleboxes. Capítulo 5: Apresenta as etapas de validação do protótipo, descrevendo as avaliações realizadas e seus resultados. Capítulo 6: Conclui o trabalho, descrevendo suas contribuições e propondo trabalhos futuros. 6

17 Capítulo 2 Fundamentação Teórica O presente capítulo introduz alguns conceitos básicos teóricos tratados neste trabalho, e apresenta as principais ferramentas utilizadas para seu desenvolvimento e a revisão do estado da arte do tema de pesquisa abordado. 2.1 Redes Definidas por Software As Redes Definidas por Software são uma abordagem arquitetônica que simplifica as operações de rede permitindo maior interação entre aplicações/serviços e dispositivos de rede, sejam eles reais ou virtualizados [33]. Isso é realizado a partir da presença de um ou mais pontos de controle da rede logicamente centralizados, geralmente chamados de controladores SDN, que organizam, fazem a mediação e facilitam a comunicação entre os elementos da rede e as aplicações que desejam interagir com eles. Cada controlador então provê funções e operações de rede via interfaces amigáveis, programáticas e bidirecionais para aplicações modernas. A existência de controladores explicita uma característica fundamental das Redes Definidas por Software, que é a separação entre o plano de controle e o plano de encaminhamento dos dados. Ou seja, a lógica de tomada de decisão é em grande parte ou totalmente movida dos dispositivos de rede para o(s) controlador(es). Essa separação viabiliza a composição da rede com equipamentos de propósito geral (commodities), mais simples e baratos, sendo suas funcionalidades realizadas por softwares especializados [31]. A implementação dessas funcionalidades depende da padronização de APIs independentes do fabricante do equipamento [44]. Essa forma de implementação das redes SDN viabiliza a programação do comportamento dos dispositivos de rede e middlewares, seja pelos fabricantes de equipamentos ou pelos próprios administradores de uma rede. Assim, as Redes Definidas por Software são um paradigma inovador de arquitetura e controle, extremamente interessante para o barateamento, a escalabilidade e a flexibilidade de redes de computadores em geral. A programabilidade e a presença de APIs em SDN são comentadas a seguir. Discutemse também alguns dos padrões e frameworks disponíveis para sua a implementação, e algumas das ferramentas voltadas para SDN utilizadas neste trabalho. 7

18 2.1.1 Programabilidade e Interfaces O paradigma de SDN prevê a programabilidade dos serviços e aplicações que são executados sobre a infraestrutura de rede, dada a existência de um plano de controle centralizado em um ou mais controladores de rede. Essa programabilidade se dá por meio de APIs, e dá suporte a inovações em aplicações e protocolos. As APIs são classificadas como northbound ou southbound, como é descrito a seguir. APIs Northbound As APIs northbound são interfaces de comunicação entre o controlador de uma rede e os serviços e aplicações executados sobre ela, como ilustrado na Figura 2.1. Sua função é prover uma abstração em alto nível do funcionamento interno da rede para os desenvolvedores de aplicação, simplificando e possivelmente tornando mais dinâmico o desenvolvimento das aplicações. Dentre as utilidades possíveis para essas interfaces, estão a integração com pilhas de automação (como Puppet, Chef, SaltStack) e com plataformas de orquestração (como OpenStack e VMware vclouddirector), e a otimização de aplicações de rede, em que se enquadram middleboxes como balanceadores de carga, firewalls e sistemas de detecção/prevenção de intrusões. Devido à enorme variedade de aplicações existentes, há também uma grande diversidade de APIs northbound disponíveis em diferentes níveis das pilhas de controle. Segundo [12], a consolidação dessas APIs ainda é um trabalho em andamento, e o seu desenvolvimento hoje é um dos maiores focos da Open Networking Foundation (ONF) 1. APIs Southbound As APIs southbound são interfaces de comunicação entre um controlador de rede SDN e os switches e roteadores, conforme ilustrado na Figura 2.1. Elas provêem o controle centralizado sobre os dispositivos de rede, viabilizando mudanças dinâmicas a partir de um controlador, e possibilitando a adaptação de suas configurações de acordo com demandas em tempo real. Existem diversos padrões de APIs southbound abertos e proprietários. O primeiro e mais comum dos padrões abertos é o OpenFlow, detalhado na seção seguinte. Segundo [17], posteriormente surgiram muitas alternativas proprietárias que não utilizam o protocolo OpenFlow, pela justificativa de que algumas necessidades específicas não eram atendidas em tempo por esse padrão. Surgiram, assim, outros padrões abertos como o Lisp e o NetConf, e adaptações de protocolos consagrados como OSPF, MPLS e BGP para SDN. Também surgiram padrões proprietários a partir de movimentações de empresas como Cisco, Juniper, Big Switch Networks, Brocade, Arista, Extreme Networks, IBM, Dell e HP, dentre outros, sendo o Cisco OpFlex uma das APIs southbound mais populares [11]. 1 A Open Networking Foundation é uma organização sem fins lucrativos dedicada ao desenvolvimento, divulgação e adoção de SDN por meio de padrões abertos. Ela foi fundada em 2011 como uma organização de desenvolvimento de padrões, e possui um departamento de divulgação muito ativo que é usado para promover o protocolo OpenFlow e outros esforços relacionados a SDN. A organização hospeda uma conferência anual denominada Open Networking Summit como parte desses esforços [34]. 8

19 Figura 2.1: Arquitetura de uma rede SDN ilustrando as APIs northbound e southbound OpenFlow O OpenFlow é um padrão aberto de API southbound para SDN, que é adicionado como funcionalidade a switches, roteadores e pontos de acesso de redes sem fio comerciais [5]. Segundo [33], ele foi originalmente imaginado e implementado como parte da rede de pesquisa na Universidade de Stanford. Seu foco inicial era permitir a criação de protocolos experimentais em redes do campus que poderiam ser utilizadas para a pesquisa e experimentação. Antes disso, as universidades tiveram que criar suas próprias plataformas de pesquisa do princípio. Essa ideia evoluiu para a visão de que o OpenFlow poderia substituir a funcionalidade dos protocolos de camadas 2 e 3 completamente em roteadores comerciais. O OpenFlow é um padrão de comunicação, e não um produto por si só, ou mesmo uma única característica de um produto. Em sua arquitetura, ilustrada na Figura 2.2, há um plano de controle, composto pelo OpenFlow em si e por um ou mais controladores de rede SDN. Cada controlador atua a partir de um ou mais programas de aplicação que lhe instruem sobre quais fluxos passam por quais elementos e de que maneira. Os controladores, então, se comunicam com interfaces compatíveis com o padrão OpenFlow nos dispositivos de rede para controlá-los. Dessa forma, os switches e roteadores da rede passam a ter seus recursos gerenciáveis a partir do controlador. Na Figura 2.2, é ilustrado um exemplo em que o controlador SDN se comunica com as interfaces de alguns roteadores utilizando o padrão OpenFlow para implementar na infraestrutura de rede o protocolo OSPF. Em suma, uma rede programada com OpenFlow possui pelo menos as seguintes características chave: 9

20 Separação entre plano de controle e plano de dados; Utilização de um protocolo padronizado entre o controlador e o agente no elemento da rede; Controle de fluxos em dispositivos de rede; Programabilidade da rede por meio de uma API centralizada e extensível. LACP RSTP OSPF Plano de Controle de Switch Controlador OpenFlow Protocolo OpenFlow Figura 2.2: Arquitetura do OpenFlow, adaptada de [33] Frameworks para SDN Há diversos frameworks para o desenvolvimento de aplicações de controle para SDN, que possibilitam a criação de controladores SDN com diversas funcionalidades e a implementação de uma série de protocolos. O NOX e o POX são dois dos frameworks mais comuns. Ambos são disponibilizados de forma aberta em [42], e fornecem módulos de suporte específicos para OpenFlow na versão 1.0, que podem e vêm sendo estendidos para outros padrões e versões. O POX, por exemplo, possui compatibilidade com a extensão da Nicira 2 para funcionamento com o Open vswitch 3. Segundo [42], o controlador NOX foi desenvolvido pela Nicira e doado para a comunidade de pesquisa, tendo seu código aberto em Este movimento fez do NOX um dos primeiros controladores OpenFlow em código aberto. Posteriormente, foi estendido através de uma atividade na Universidade de Stanford. O NOX fornece uma API C++ 2 Empresa americana especializada em SDN e virtualização de redes. 3 O Open vswitch é um switch compatível com o OpenFlow em software. Existem também outros switches em software e diversos outros switches em hardware para SDN, como os dos fabricantes Broadcom, Cisco, HP, 3COM e outros. 10

21 para OpenFlow 1.0 e um modelo de programação assíncrono baseado em eventos. O núcleo NOX provê métodos auxiliares e APIs para interação com switches OpenFlow, incluindo um manipulador de conexão e um mecanismo de controle de eventos. Alguns componentes adicionais que alavancam essa API também são disponibilizados, como um módulo de rastreamento de encaminhamento e topologia (LLDP 4 ). Em sua versão clássica, o NOX possui também uma interface em Python implementada como um wrapper para a interface programável. O POX é um framework mais recente que foi desenvolvido com base no NOX, com programação em Python. Ele tem uma API SDN de alto nível, incluindo suporte a consultas de topologia e a virtualização, e suporta a mesma interface gráfica e ferramentas de visualização do NOX. Ainda que o POX tenha sido criado a partir do NOX, há algumas diferenças fundamentais entre eles, que tornam o uso do POX possivelmente mais vantajoso. O POX possui componentes reutilizáveis de amostragem para seleção de caminho e descoberta da topologia. Além disso, ele pode ser empacotado para fácil implantação, e é compatível com os sistemas operacionais e plataformas mais populares, podendo ser executado em praticamente qualquer ambiente [42]. Adicionalmente, o POX possui uma interface de configuração em Python que em geral possui um desempenho superior ao das aplicações NOX escritas nessa mesma linguagem. Por essas razões, o POX foi escolhido como controlador para a implementação do protótipo de solução de gerenciamento de desempenho deste trabalho, como será descrito nos capítulos seguintes. Outros frameworks de código aberto que vêm ganhando popularidade são o Ryu, que também é programado em Python e se destaca por ser compatível com uma vasta gama de padrões de SDN, como OpenFlow (1.0, 1.2, 1.3, 1.4 e extensões da Nicira), Netconf e OF-config [45]; e o Floodlight, desenvolvido em Java e compatível com OpenFlow 1.0 e 1.3 [23] Mininet O Mininet é um emulador de rede SDN que emula uma coleção de hosts, switches, roteadores e links em uma única máquina virtual Linux, executando códigos reais desses dispositivos [32]. Ele utiliza a virtualização para compor um único sistema parecido com uma rede completa, executada no mesmo núcleo, sistema, e código de usuário. O Mininet é importante para a comunidade SDN por ser frequentemente utilizado para simulação, verificação, e experimentação em diversos trabalhos acadêmicos, conforme comentado em [33]. Ele é um projeto de código fonte aberto disponibilizado no GitHub 5. A Figura 2.3 mostra um exemplo de topologia básica para estudos, sugerida pelo tutorial da página oficial do projeto OpenFlow. Ela contém um switch OpenFlow, seu controlador e três hosts conectados a este switch. O controlador OpenFlow utiliza uma porta TCP padrão (6633) para se comunicar com o switch. 4 O protocolo Link Layer Discovery Protocol (LLDP) é usado por dispositivos de rede para informar suas identidades, capacidades e vizinhos em uma rede local, principalmente em redes Ethernet cabeadas. 5 O GitHub é um serviço de web hosting compartilhado para projetos, que utiliza controle de versionamento. 11

22 c0 Controlador Porta 6633 Loopback ( ) s1 Comutador OpenFlow :6634 dpctl (processo do espaço do usuário) S1-eth0 S1-eth1 S1-eth2 h2-eth0 h3-eth0 h4-eth0 H Pares Ethernet Virtuais H H Figura 2.3: Exemplo de topologia criada com Mininet, adaptada de [6]. Máquina Virtual do Mininet Está disponível na página oficial do Mininet [32] uma máquina virtual (do Inglês, Virtual Machine, VM) para emulações de SDN. Ela é um appliance virtual pré-configurado com o Mininet 2.1.0, todos os binários e ferramentas do OpenFlow pré-instalados, e ajustes na configuração do kernel para suportar redes Mininet maiores. Essa VM é bastante útil para que usuários compreendam e apliquem configurações em um ambiente virtualizado antes de aplicá-las em ambientes de produção, pois já traz um ambiente pré-configurado para testes. A VM é executada em um Sistema Operacional Ubuntu LTS, com arquitetura 64 bits. Ela inclui uma variedade de utilitários de rede e utilitários específicos do OpenFlow pré-instalados. Os principais utilitários disponibilizados na VM são: Controlador OpenFlow: a distribuição de referência inclui a possibilidade de emulação de controladores compatíveis com o padrão OpenFlow. Ao executá-los é possível ver os fluxos de redes que passam por eles. É possível utilizar o NOX já disponibilizado no Mininet e escrever o próprio controlador com base nele, ou importar outro framework de controle, como o POX; Switch OpenFlow: o Mininet disponibiliza switches em software compatíveis com o OpenFlow no espaço do usuário; dpctl: utilitário de linha de comando que envia mensagens rápidas de OpenFlow. É útil para visualizar portas do switch, estados de fluxos e entradas de fluxos inseridas manualmente; iperf: utilitário de linha de comando para teste de velocidade de uma única conexão TCP; 12

23 cbench: utilitário para testar a taxa de configuração de fluxo de controladores Open- Flow. Além disso, foi instalado na VM do Mininet o Wireshark, utilitário gráfico de captura e visualização de pacotes. O Wireshark pode ser configurado para ler mensagens na porta padrão do OpenFlow (6633), de forma a se capturar todos os pacotes que passam pelo controlador de rede SDN. 2.2 Middleboxes Um middlebox é qualquer dispositivo físico ou virtual que intercepta o tráfego e toma ações sobre ele que não são de roteamento ou encaminhamento de pacotes. Middleboxes são, portanto, dispositivos que atuam sobre o tráfego, com o potencial de inspecioná-lo, bloqueá-lo ou modificá-lo. Segundo a RFC 3234 [9], são dispositivos classificados como middleboxes: NATs e NAT-PTs; Gateways SOCKS; Firewalls IP e de aplicação; Gateways de aplicação; Terminações de túnel IP; Classificadores, marcadores e agendadores de pacotes; Relays de transporte; Proxies; Caches; Balanceadores de carga; Gatekeepers / controladores de sessões; Transcoders; Servidores DNS modificados; Caixas de distribuição de conteúdo e de aplicações; Interceptadores em nível de aplicação (pseudo-proxies); Dispositivos que promovem multicast em nível de aplicação; Dispositivos que promovem redirecionamento involuntário de pacotes; Dispositivos utilizados para tornar comunicações anônimas. Pode-se estender o conceito apresentado para incluir ainda mais dispositivos que se populizaram após a publicação da RFC 3234, como os sistemas de detecção e prevenção de intrusões e os otimizadores de redes de longa distância (do Inglês, Wide Area Networks, WANs). 13

24 2.3 Gerenciamento de Desempenho de Aplicações O gerenciamento de desempenho de aplicações tem por objetivo permitir aos administradores da TI de uma organização verificarem continuamente o desempenho dos serviços providos a seus usuários finais, identificando gargalos e simplificando o processo de resolução de problemas. Há diversas soluções de mercado com essa proposta, que por vezes agregam a ela funcionalidades de gerenciamento de desempenho de rede e infraestrutura. Segundo [24], as principais funcionalidades que são encontradas no mercado de soluções de APM são: Monitoramento de experiência de usuário final, que consiste em verificar como a percepção de usuários finais é afetada em termos de atrasos fim-a-fim, corretude de execução e qualidade 6 ; Descoberta e visibilidade de topologia de aplicação, em que são descobertos os componentes envolvidos na execução de uma aplicação e os possíveis caminhos entre esses componentes para a entrega da aplicação; Geração de perfis de transações definidas/agrupadas por usuários, em que é feito o rastreamento de transações com o detalhamento da interação entre os servidores que compõem a aplicação; Descoberta de métricas aprofundadas de componentes de aplicação, com o monitoramento e controle granular de recursos e de eventos ocorridos nos servidores que compõem uma aplicação; Análise de operações de TI, em que são descobertos/reconhecidos padrões de comportamento das aplicações. Para prover essas e outras funcionalidades, as soluções de APM podem obter informações do comportamento das aplicações de várias formas. Algumas das mais comuns são: finais. A obtenção de dados de disponibilidade e desempenho de infraestrutura via SNMP ou WMI; A coleta de informações relativas à comunicação entre os componentes da aplicação a partir de espelhamentos de pacotes (Port SPAN ), agregadores (TAPs) ou flows (como NetFlow e sflow); A coleta de dados de servidores de aplicação e bancos de dados a partir da instalação de agentes específicos; A obtenção de dados de experiência de usuário final a partir da instalação de agentes na máquina cliente, ou de alguma instrumentação do serviço acessado (como a inserção de códigos JavaScript em páginas Web); A configuração de coletas em dispositivos de rede ou middleboxes. 6 Por vezes esse monitoramento é realizado a partir de transações sintéticas que simulam usuários 14

25 Como comentado anteriormente, o processo de monitoramento pode ser trabalhoso devido à grande quantidade de pontos de coleta necessários para se obter informações válidas de aplicações complexas, à diversidade de equipamentos presentes na infraestrutura (especialmente middleboxes), e à mutabilidade/dinamismo da infraestrutura como um todo, em termos de componentes e de configurações. 2.4 Revisão do Estado da Arte O tema de Redes Definidas por Software tem recebido crescente atenção da indústria e da comunidade científica nos últimos anos. Devido ao conceito de SDN se aplicar diretamente apenas às camadas 2 e 3 do modelo OSI, a maioria das propostas e inovações em SDN se dão nesse contexto. Há diversas propostas de arquitetura de redes para SDN, de padrões similares ou complementares ao OpenFlow, e de integração de redes SDN com redes tradicionais. Já para as camadas de 4 a 7 do modelo OSI, segmento em que se concentram a maior parte das funcionalidades dos middleboxes e a maioria das métricas que compõem gerenciamento de desempenho de aplicações, há um desenvolvimento mais tímido. Existem algumas publicações propondo middleboxes próprios para SDN, como [55], [47] e [53], que propõem modelos de balanceadores de carga próprios para SDN. Essas publicações trazem mecanismos de balanceamento para OpenFlow que são implementados a partir da codificação de uma funcionalidade do controlador SDN. Em [55], é desenvolvido um balanceador com um controlador NOX que trabalha com wildcards nas regras de balanceamento de carga, de forma que a distribuição de tráfego seja mais flexível e escalável. Em [47], é proposta uma solução de balanceamento com um controlador Floodlight, capaz de distribuir o tráfego em três mecanismos: aleatório, Round-robin e baseado na carga do servidor. Em [53], esses mesmos mecanismos são implementados e avaliados em um controlador NOX. Além disso, há exemplos de soluções comerciais de middleboxes que são compatíveis com SDN, como o Virtual Traffic Manager [8], da fabricante Brocade, o BIG-IP [18], fabricado pela F5, o NetScaler [14], desenvolvido Citrix, e o FastView [41], da Radware. Há também algumas propostas para melhorar a configuração dos middleboxes em SDN, como [25], [50], [15] e [46]. Em [25], é proposto um framework para redes com middleboxes em SDN, contendo um mecanismo para se exercer controle unificado sobre os fatores que influenciam as operações de middleboxes. Esse mecanismo possibilitaria o gerenciamento de ambientes complexos que contenham middleboxes. Em [50], é proposto um protocolo para configuração dinâmica para SDN de dois exemplos comuns de middleboxes, os NATs e os firewalls, denominado simco. O simco pretende fazer com que aplicações se comuniquem com middleboxes no caminho de seus datagramas para requisitar configurações dinâmicas relativas a seus fluxos de dados. Já em [15], [46] e [3], são propostos novos modelos de desenvolvimento de middleboxes que poderiam ser aplicados em SDN. Em [15], é proposto um gerenciador de tráfego e de recursos de rede centralizado, a partir do qual funcionalidades de middleboxes como o NAT poderiam ser implementados. Em [46], é apresentada uma arquitetura para desenvolvimento de middleboxes consolidados. Em [3], é proposta uma arquitetura de middleboxes baseada em servidores e sistemas operacionais commodity, que possui módulos em C++ para realizar todas as funcionalidades de análise e modificação de tráfego. 15

26 Em relação ao gerenciamento de desempenho envolvendo middleboxes para SDN, foram encontrados poucos trabalhos publicados. O artigo [40] discute uma proposta para melhorar o gerenciamento de middleboxes em SDN sem trazer limitações de localização ou de implementação de funcionalidades, a partir dos padrões de SDN já disponíveis. No entanto, a proposta não é elaborada ou implementada em [40], que é um artigo introdutório indicando apenas como os autores pretendem abordar este tema. Em [25], conforme explicou-se anteriormente, também há algum trabalho no sentido de melhorar o gerenciamento de middleboxes, mas o gerenciamento de desempenho de aplicações em redes SDN com middleboxes não é abordado em nenhuma publicação encontrada. Avaliando-se as soluções de mercado para gerenciamento de desempenho de aplicações compatíveis SDN, encontrou-se apenas a solução Riverbed SteelCentral [43]. No entanto, o SteelCentral é uma ferramenta paga, e os detalhes de sua implementação não são abertos ao público geral. Assim, com essa revisão de estado da arte, pôde-se observar que há alguns esforços direcionados para o tema proposto, mas que há pouquíssimas publicações envolvendo diretamente esse tema, e apenas uma solução de mercado compatível com o que esse trabalho se propõe a fazer. Conclui-se, portanto, que existe uma grande oportunidade de desenvolvimento do tema proposto. 16

27 Capítulo 3 Arquitetura de Gerenciamento de Desempenho É apresentada neste capítulo uma arquitetura de gerenciamento de desempenho de aplicações adaptada às Redes Definidas por Software, com foco em infraestruturas com middleboxes. Seu intuito é servir como um modelo de funcionamento para soluções de APM, de forma que elas sejam capazes de interpretar informações de middleboxes de forma universal, e de funcionar em ambientes SDN. A arquitetura proposta almeja ir além da compatibilidade com SDN, buscando beneficiar-se das características de SDN para simplificar o processo de monitoramento/gerenciamento. Além disso, ela propõe um mecanismo de comunicação padronizado por tipo de middlebox, para contornar as limitações que a grande diversidade no âmbito dos middleboxes costumeiramente traz às soluções de APM. A proposta sugere, ainda, uma forma de consolidar esses dados e prover informações de monitoramento de aplicações aos administradores. A metodologia do trabalho realizado e a modelagem conceitual da arquitetura proposta são descritas a seguir. Para a avaliação da viabilidade da arquitetura, seus conceitos são implementados em um protótipo de gerenciamento de desempenho. Esse protótipo se propõe a servir como uma base para o desenvolvimento de soluções de APM mais completas para SDN, tratando redes com ou sem a presença de middleboxes, mas mais voltado para o último caso. A implementação e a validação do protótipo serão detalhadas nos capítulos seguintes. 3.1 Metodologia Para a elaboração da arquitetura de gerenciamento de desempenho e o desenvolvimento e validação do protótipo, foram realizadas as seguintes etapas: 1. Determinação do modelo de funcionamento da arquitetura: elaboração de um modelo de entradas e saídas para a arquitetura proposta, incluindo uma descrição conceitual de como seria realizada a obtenção e disponibilização de informações no modelo; 2. Escolha de mecanismo de obtenção de dados do(s) controlador(es): determinação de um modelo de comunicação entre o(s) controlador(es) SDN e a solução de gerenciamento de desempenho; 17

28 3. Modelagem das relações de middleboxes e métricas: revisão de middleboxes de uso mais comum, e determinação de quais métricas devem ser obtidas de cada middlebox para que se disponibilizem as saídas desejadas; 4. Determinação de mecanismo de comunicação da solução proposto com os middleboxes: verificação de qual mecanismo de comunicação entre os middleboxes e a solução de gerenciamento seria mais adequado; 5. Definição de estratégia de armazenamento e consolidação dos dados: proposta de um mecanismo que consolide os dados obtidos dos middleboxes e do(s) controlador(es) em informações úteis para a administração do desempenho das aplicações, e armazene essas informações para consultas posteriores; 6. Implementação do protótipo: desenvolvimento de protótipo de solução de APM que utilize a arquitetura proposta; 7. Validação: planejamento e execução de uma sequência de avaliações para verificar a viabilidade da arquitetura proposta a partir do protótipo implementado. Os trabalhos e resultados obtidos nessas etapas da metodologia são descritos nas seções subsequentes. 3.2 Modelo de Funcionamento da Arquitetura A arquitetura aqui descrita foi pensada para otimizar o monitoramento de aplicações a partir de duas características de SDN, a centralização do controle e a programabilidade. Seu intuito não é substituir todas as formas de monitoramento/gerenciamento já praticadas atualmente, mas sim complementá-las e servir como um modelo para a adaptação/criação de soluções de APM para SDN de forma otimizada. A Figura 3.1 ilustra de forma simplificada o seu modelo de funcionamento. Com a separação do plano de controle em uma camada com dispositivos próprios e especializados, o paradigma de SDN permite que um grande conjunto de informações da rede se concentre em pontos centrais, os controladores de rede. Isso significa que as características dos fluxos da rede podem ser obtidas a partir da interação com esses pontos centrais, ao invés de serem obtidas de forma descentralizada (por exportação de fluxos de rede em protocolos como o NetFlow, espelhamentos de rede por SPAN/RSPAN, dentre outros), o que naturalmente seria uma tarefa mais exaustiva. O modelo de arquitetura proposto compreende a comunicação entre a solução de APM e o(s) controlador(es) da rede SDN para a obtenção das informações de fluxos que trafegam pela rede. A partir das informações de fluxos de um controlador, vários dados de conexões e pacotes podem ser determinados. São exemplos desses dados a quantidade de bytes trocados em uma comunicação, os endereços IP e MAC de origem e destino, e os protocolos de comunicação utilizados, dentre várias outras informações que podem ser verificadas com a análise dos cabeçalhos dos pacotes. Com uma análise um pouco mais aprofundada dos pacotes recebidos, é possível determinar outros dados de conexão que podem ser interessantes para o gerenciamento de desempenho de aplicações, como a presença de resets e retransmissões (que naturalmente impactam o desempenho), o estado da conexão (por exemplo, uma resposta 200 OK em uma conexão HTTP, indicando o sucesso na 18